光伏电站螺旋钢管桩的应用和计算

桑 涛

（南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏 南京 211100）

光伏电站螺旋钢管桩的应用和计算

桑 涛

（南京南瑞继保工程技术有限公司，江苏 南京 211100）

随着技术的进步和新施工工艺的提倡，螺旋钢管桩在光伏电站建设中得到越来越广泛的应用。螺旋钢管桩的优势有绿色环保、施工快捷、承载力高、可重复利用等。因此，掌握螺旋钢管桩的实际应用和承载力计算，为今后光伏支架基础设计进行技术储备，对提高公司光伏总包项目的经济效益具有重要的意义。

光伏电站；螺旋钢管桩；承载力；计算

由中心钢轴与若干个螺旋叶片连接组成的螺旋钢管桩是一种异型桩，其表面呈现出一种复杂的几何形状。螺旋钢管桩又分为分层叶片式螺旋钢管桩和连续叶片式螺旋钢管桩，其划分是根据叶片布置形式来定的。其受力机理与日常生活中常见的螺丝钉相识，用配套机械将其旋入土体中。通过钢管桩桩侧与土体之间的侧摩阻力，尤其是螺旋叶片与土体之间的咬合力抵抗上拔力和承受垂直荷载，利用桩体、螺旋叶片与土体之间的桩土相互作用抵抗水平荷载。

1 螺旋钢管桩承载力的主要计算方法

精确计算螺旋钢管桩的承载力有一定程度的难度，因为除开地质条件外，像桩型参数、施工扭矩等多方面因素都会影响螺旋钢管桩承载力的计算。螺旋钢管柱承载力的计算方法有很多，主要的方法有以下几种：

1.1 单盘承载力法

假定承载力破坏发生在每单片叶片上时，叶片就像是一个钢盘，基于深基础破坏模式下，每个钢盘的极限承载力之和就是单桩极限承载力，这里不再考虑各钢盘间中轴的土侧摩阻力。若上部无钢盘段的中轴直径较大且长度较长（不小于5倍最上一个叶片的直径）时，可以考虑该段的侧摩阻力，计算模型如图1所示。

图1 单盘承载力法计算模型

1.2 连续剪切筒法（常用）

当叶片间距在一定范围内时，假定最上部与最下部的叶片之间，构成了一个圆柱形的剪切面，该圆柱筒表面的剪切阻力和螺旋叶片的承载力就是承载力的来源。要想确保计算值与实测值控制在较小的范围，叶片间距不能过大是运用此法的一个前提条件。连续剪切筒法的计算模型如图2所示。

1.3 扭矩经验公式法

扭矩经验公式法是根据钻进时机器提供的扭矩来预测螺旋钢管桩的单桩承载力。其依据的基本原理为：螺旋钢桩的承载能力因安装扭矩越大而越大，而安装扭矩因土质越硬而越大，均是成正比关系。

图2 连续剪切筒法计算模型

2 计算实例

2.1 工程概况

本次工程为乌拉特后旗50WM光伏并网发电项目，建筑场地位于乌拉特后旗赛乌素镇北2km。本项目采用尺寸为1650×991×40的组件，20块组件组成一个单元，在每个单元倾角为40°的通用支架上竖向双排安装2×10块太阳电池组件，每一单元支架前后布置两排螺旋桩，螺旋钢管桩一共8根。

根据勘察报告，本工程上部主要为松散、稍密状态的粉土和较密状态的砾砂层，岩土主要物理力学性质指标值见表1。根据上述土层情况及以往工程经验，设计院选用了双叶片螺旋钢管桩。螺旋钢管桩如图3所示。

表1 岩土主要物理力学性质指标值

图3 螺旋钢管桩详图

根据支架结构计算书提取数据，传递到单桩桩顶的荷载为支座反力：正风压（压力）为12.60kN，负风压（上拔力）为9.88kN。

2.2 承载力计算

本次计算采用设计中较为常用连续剪切筒法，计算模型如图2所示。当桩顶受力时，作用在桩顶的荷载部分由中间的钢管与土体之间的侧摩阻力承担，部分由螺旋叶片所受的土体抗力承担。当有2个及以上叶片时，部分荷载由叶片之间的土柱与周围土体之间的侧摩阻力承担。

（1）抗压承载力计算。依据JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》，抗压承载力计算式为：

满足抗压承载力要求。

（2）抗拔承载力计算。以JGJ94-2008《建筑桩基技术规范》为依据，抗压承载力计算式为：

满足抗拔承载力要求。

螺旋钢管桩设计时，考虑到地质条件的复杂性，以上的理论计算只能作为一种辅助方法来验算基础设计的安全性。在满足力理论计算的同时，必须在现场进行螺旋钢管桩基础的拉拔实验，进而确定螺旋钢管桩桩型参数。

3 研究结论

精确计算螺旋钢管桩的承载力有一定程度的难度，因为除地质条件外，桩型参数、施工扭矩等因素都会影响螺旋钢管桩承载力的计算，所以目前针对螺旋钢管桩的研究都是在大量的现场拉拔试验数据统计和分析的基础上进行的。通过阅读大量的相关研究资料，综合目前螺旋钢管桩各桩型参数与极限抗拔和抗压承载力的关系的研究成果，得出如下研究结论：①钢桩极限抗拔和抗压承载力深受叶片间距比变化的严重影响。根据试验研究表明，桩的极限承载力在叶片间距比S/D=3～4时效果为最优。光伏基础中常用的小型螺旋钢管桩，可以采用S/D=3的叶片间距；②随着叶片直径（叶片直径平方）的增大，双叶片桩的抗拔和抗压承载力也近似呈线性关系的增加；③相比连续叶片桩，双叶片桩在承载力方面具有明显的施工优势。探究其原因大致如下：连续叶片桩的抗拔承载力深受其下部渐变收缩段的明显影响而显著减弱，对土体的重复扰动因其多重叶片在旋拧过程而增加。现场施工也反映在尤其是含有卵石的较硬土层中，在钻进成桩方面双叶片桩较之连续叶片桩更容易一些；④对光伏基础中常用的小型螺旋钢桩，其桩长和叶片道数应在设计出最优比范围的叶片间距后再考虑增加与否；⑤考虑螺旋钢桩的受力工况，常规慢速维持法可以用来确定实际抗拔极限承载力。

U665.12

A

2096-2789（2016）12-0053-02